雷电是怎么产生的?

来源: 《科学世界》

发布日期: 2018-08-13

本文详细介绍了雷电的形成过程、类型、危害以及如何避免雷电伤害,特别强调了地闪的危险性和防范措施。同时,文章还提到了冬雷的特殊现象和能量,以及雷电对电子设备的潜在影响。

雷电是在夏天经常发生的一种大气现象。大多数的雷都源自一种距离地面很高的庞大云体——积雨云。当云层内部或者云层与地面之间形成巨大的电压(电位差)时,为了消除这种状态,电流就会导向空气中。这种现象叫做“放电”。空气原本是一种绝缘体,不会导电。但即便是绝缘体,当在其上加了很高的电压之后,它也有瞬间导电的可能性(绝缘击穿)。如此一来,就产生了雷。

放电分为两种类型:一种是云与地面之间的放电,叫做“地闪”;另外一种是发生在云体内部的放电,叫做“云闪”。对人类危害较大的是地闪。发生地闪时,我们可以看到地面和云层之间导电的通道发出耀眼的光芒。

一谈到“雷”,很多人就会联想到从云间劈向地面的闪电画面。但实际上,闪电也会从地面劈向云间。这也属于对地放电。发展方向朝上的闪电,大多是从囱、铁塔等较高的建筑物发起并劈向云间的,因此,这些闪电的形状看着像是向上分枝的。

打雷为何伴随着发光和轰鸣?闪电(电流的通道)为什么会发光呢?所谓电流,指的是带电的粒子(电子或离子)的流动。如果在空气中通入电流,空气中的氮分子、氧分子等就会与电子碰撞。这样一来,原子就从碰撞过后的电子那里获得能量,处于激发态(一种高能量状态)。当电子从激发态跃迁到基态时,能量以可见光的形式释放出来,因此我们就看到了闪光。

那么,雷声又是怎么产生的呢?在电流的通道中,空气瞬间便会升至几千摄氏度的高温。受剧烈高温的影响,空气以快于声速的速度膨胀,周围的空气被急剧压缩,这样就产生了冲击波。这股冲击波产生时的声音,听上去就如同爆破声一般,这就是雷鸣。而远处的雷声听上去轰隆隆地不绝于耳,是因为声音在空气中传播的过程中被云层多次反射的缘故。

罕见的冬雷。一说到雷,很多人的脑海中都会浮现出一幅夏日景象。其实,冬天也有雷电,是一种世界范围内十分罕见的现象。需要说明的是,冬雷和夏雷的特征不同。首先是云的高度不同。与夏季相比,由于冬季的上升气流很弱,积雨云就比较矮。这样一来,云中的正电荷和负电荷就难以形成明显的上下分层结构。或许由于这样的原因,大部分冬雷都只有一次地闪。

大约90%的夏雷都是从云中负电荷发生放电的“负地闪”,但对于冬雷来说,从云中正电荷放电的“正地闪”几率较高,据统计显示,平均约33%的冬雷是正地闪。另外,从铁塔等高建筑物向云层方向发展的上行地闪的几率也很高。

相比夏雷来说,冬雷的积雨云没有那么发达,并且地闪的数量也很少。即便如此,也绝不可掉以轻心。这是因为很多冬雷的能量都是巨大无比的。

比如,就夏季的地闪来看,放电的电量是几十库仑(1库仑是指1安培的电流在1秒内所输送的电量)左右,然而冬季的地闪有的甚至可高达1000库仑以上。结果显示,冬季地闪的能量有时甚至可以达到夏季地闪的100倍之大。据说发生过由冬雷引发的建筑物毁坏、医院的电话线路和电路损坏导致医院功能瘫痪等情况。我们把拥有如此巨大能量的地闪叫做“超高压”(supervolt)。

但是为什么冬雷会有如此之大的能量,至今还是一个谜。

注意“地闪”!地闪会带来哪些危害?地闪一旦打到人体,大多数情况下会令呼吸或者心跳停止而致死。即便未死,也会造成意识丧失或负伤等。另外,有时也会伴有身体麻痹、听力下降、耳鸣等症状,不过,这些症状经过一段时间的治疗之后,一般很少留下后遗症。

怎样才能避免地闪打到人体呢?

人们常说“拆掉身上的金属配饰就没问题了”,还有的说“用塑料雨衣、橡胶雨靴等来绝缘”。但经过各种实验,结果表明这些对策完全是迷信。地闪最容易发生在比周围地势高的地点或者物体上。换句话说,在发生雷电的时候,如果有人在宽阔而平坦的地方如公园、棒球场、高尔夫球场、海面、河岸、沙滩等处站着的话,是比较危险的。进一步说,如果使用钓鱼竿、高尔夫球棒等比身体还长又向外突出的东西,会更加危险。

另外,由于雷电发生的时候一般下着大雨,所以有的人就不自觉地想去树下避雨,但这是非常危险的行为。由于树比人高,所以,雷是最先打到树上的。但人体又比大树容易导电,所以最先落到树上的雷电就有可能中途改变路线,转而经由树下的人体到达地面。这种雷叫做“侧击雷”。再者,在屋檐下避雨同样有可能遭受侧击雷,所以要多加注意。

遇到雷电的时候,如下行为要注意!遇到雷电的时候,如下行为要注意!如上左图所示,发生雷电的时候,严禁在树下避雨。这是因为树比人高,雷电首先会打到树上,但有可能会中途经由避雨的人体到达地面(侧击雷)。另外,如上右图所示,即便从看到闪电到听到雷鸣的时间很长,也不能掉以轻心。应在建筑物中或车内躲避雷雨。

那么,哪些地方才安全呢?首先是建筑物(特别是钢筋混凝土结构)里面,其次是车里。如果无法在类似的地方避雨,就要在能够以大于45°角看到电线杆或高大建筑物的地方待着。满足以上条件的地方,雷电会比较容易打到电线杆或高大建筑物的上面。这跟雷电很难打到避雷针的周围是同样的道理。另外,值得注意的是,距离电线杆或者建筑物4米之内的地方也有遭遇侧击雷的可能性。

关于雷电的迷信,还有一种说法是“从看到闪电到听到雷声过了一段时间,说明雷电距离我们很远,没什么危险”。光在一瞬间就可以到达,而声音的传播速度只有每秒340米。从这个意义上说,确实是闪电和雷鸣的间隔时间越久,地闪的地方就越远。但就算地闪的地方距离我们很远,但如果头顶上就是积雨云,下一瞬间地闪就有可能落到我们自己头上。

说起来,能听到雷鸣的距离范围是10千米左右,而积雨云的大小就有10~20千米,所以能听到雷鸣,意味着积雨云可能就在我们头顶上方。

如果天空急剧阴暗下来,并有冷飕飕的风吹起,这便是积雨云临近的信号。如果这样的话,基本可以判断雷电任何时候都可能打到我们身边,建议尽早到安全的地方躲避为好。

听到雷鸣最好切断电源。地闪会对电脑、电话等电子设备造成影响。

不仅能造成电子设备故障,还有可能使其中保存的数据消失。之前曾发生过这样的稀奇现象:几次强烈的地闪发生时,没人摁的楼宇门禁对讲机也跟着不停地响。发生类似这样的故障或者误操作,是由某处的雷电通过电线、通信设备、电话线等侵入建筑物中的电子设备所致。因为发生地闪时会在瞬间通过巨大的电流,从而导致电子设备发生故障。这就叫做“闪电电涌”(lightning surge)。

即使电子设备与地闪的地方还有点距离,也不可掉以轻心。

为防止电子设备发生故障,一听到雷声就要把电源插头、通信电缆等拔掉。另外,市场上有避免闪电电涌的电涌保护器,建议你的家里也安装一个。

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